Type de document
Rapports de recherche scientifique
Année de publication
2016
Langue
Français
Résumé
Les lacérations de type perforation et coupure représentent une part importante des blessures aux mains dans plusieurs milieux de travail. Les agresseurs mécaniques comme la pointe d’un couteau, des échardes de métal, des pièces mal ébavurées ou des éclats de verre peuvent être très diversifiés et constituer des risques multiples. Le port de gants de protection contribue à réduire ces risques. Cependant, les gants n’offrent pas toujours une résistance adéquate pour tous les types d’agresseurs. Puisqu’il n’y a pas de corrélation entre les résistances à la coupure, à la perforation et à la piqûre, par exemple, un matériau peut être très résistant à un type d’agresseur mécanique et s’avérer très faible à un autre. Les travaux de recherche précédents, menés à l’IRSST, ont porté sur les phénomènes de coupure, de perforation, et plus récemment, de piqûre par des aiguilles médicales. Cependant, les mécanismes de perforation par un objet pointu et tranchant sont encore peu connus. Le manque d’information sur le processus combinant perforation et coupure, ainsi que l’absence de méthodes de caractérisation objective pour cette catégorie d’agresseurs, ne permet pas actuellement d’évaluer la protection qu’offrent les gants contre la perforation/coupure.
L’objectif principal de cette étude était d’étudier les aspects fondamentaux liés au comportement des matériaux de protection contre les agresseurs mécaniques multiples combinant la perforation et la coupure simultanément, afin de mettre au point une méthode d’essai objective pour caractériser la résistance à la perforation par un objet pointu et tranchant. Pour simuler un agresseur mécanique multiple, des tests expérimentaux de perforation par des lames pointues ont été réalisés sous différentes conditions. Les influences de la géométrie de la lame (angle à la pointe), des caractéristiques des matériaux (épaisseur, type de matériau) et des conditions expérimentales (vitesse de déplacement, lubrification et angle d’attaque de la lame, ainsi que la préextension de l'échantillon) sur la résistance à la perforation par une lame pointue ont été étudiées pour les membranes d’élastomère. Ces travaux de recherche ont analysé en détail les comportements des matériaux homogènes les plus utilisés dans la fabrication des gants de protection, soit les caoutchoucs néoprène, butyle et nitrile, ainsi que quelques modèles de gants de protection.
Les résultats ont montré que les mécanismes de perforation des membranes d’élastomère par des lames pointues impliquent un mode de rupture mixte, combinant le Mode I (par contrainte normale au plan de fissure) et le Mode III (par contrainte de cisaillement parallèle au plan de la fissure et au front de fissure). Ces mécanismes et les contributions respectives de ces modes de rupture sont différents de ceux mis en cause lors de la perforation par des aiguilles médicales ou par des sondes normalisées à bout arrondies. L’étude a également mis en évidence la contribution majeure de la friction entre la lame et le matériau lors du processus de la rupture. L’énergie de friction pour les matériaux testés est deux fois plus élevée que celle requise pour la rupture. Par conséquent, la résistance des matériaux à la perforation par une lame pointue est fortement affectée par la friction entre les gants utilisés et l’agresseur mécanique. Cette friction dépend notamment du milieu de travail, dont les activités peuvent requérir, par exemple, l’utilisation de divers lubrifiants.
Les influences de la géométrie de la lame, des caractéristiques des matériaux et des conditions expérimentales sur la résistance à la perforation par une lame pointue ont été étudiées. La force de pénétration complète diminue lorsque l'angle d’attaque entre le tranchant de la lame et l'échantillon augmente, lorsque la lame est lubrifiée ou lorsque le matériau est en extension. Cette force de pénétration complète, fortement dépendante de la géométrie de la lame et de l’épaisseur de l’échantillon, ne représente pas un paramètre intrinsèque de la performance du matériau à la perforation/coupure.
Une méthode de caractérisation a donc été développée afin de permettre l'évaluation objective et quantitative de la résistance du matériau à la perforation et coupure combinées. Elle consistait à évaluer les énergies de rupture et de friction par unité de surface de la fissure créée à partir d'un test de perforation par une lame pointue. Les résultats ont démontré que l’énergie de rupture par unité de surface est indépendante des géométries de la lame et de l’échantillon, représentant ainsi une propriété intrinsèque du matériau et un paramètre objectif de la résistance à la perforation/coupure par des lames pointues. L’énergie de friction par unité de surface est aussi indépendante des géométries de la lame et de l’échantillon, mais varie en fonction du milieu environnant. Elle joue un rôle important dans la performance de protection du matériau et peut être considérée comme une propriété semi-intrinsèque qui représente les conditions en service de la perforation/coupure. Lorsque la friction est importante, elle contribue à augmenter la résistance de pénétration de la lame dans le matériau. Cependant, s'il y a présence de lubrifiant dans le milieu environnant, ce qui contribue à diminuer la friction, l'utilisation de matériaux plus performants tels ceux présentant une énergie de rupture par unité de surface (paramètre intrinsèque) plus élevée, devrait alors être considérée pour assurer un niveau de protection élevé.
Cette nouvelle approche de caractérisation a également été testée sur différents types de gants de protection ayant des compositions et épaisseurs différentes. Une méthode simplifiée, plus rapide et plus facilement réalisable, est donc proposée pour la caractérisation des gants de protection.
Abstract
Lacerations of the puncture and cut type represent a significant proportion of hand injuries in many workplaces. There are a great variety of mechanical stressors, including points of blades, metal shards, poorly deburred components and shards of glass, and these constitute multiple risks. Wearing protective gloves helps reduce these risks. However, the gloves may not provide adequate resistance to all types of stresses. For example, since there is no correlation between resistance to cuts, punctures and pricking, a material may be highly resistant to one type of mechanical stressor, yet much less so to another type. Previous research conducted at the IRSST focused on the phenomena of cutting, puncturing and, more recently, pricking by medical needles. However, little is known about the mechanisms involved in puncturing by a pointed or sharp object. At present, the lack of information on the process combining puncturing and cutting, and the lack of objective characterization methods for this category of stressor, does not allow assessment of the protection provided by gloves against punctures or cuts.
The main objective of this study was to investigate fundamental aspects of the behaviour of protective materials against multiple mechanical stressors that cut and puncture simultaneously, with a view to developing an objective test method to characterize resistance to puncturing by a pointed and sharp object. To simulate a multiple mechanical stressor, experimental tests involving puncturing by pointed blades were carried out under different conditions. The effects of blade geometry (angle at the tip), material characteristics (thickness, type of material) and experiment conditions (including speed of movement, lubrication and angle of approach of the blade, as well as the pre-extension of the sample) on resistance to puncturing by a pointed blade were investigated in the elastomeric membrane. This research analyzed in detail the behaviour of the homogeneous materials most used in the manufacture of protective gloves, namely, neoprene rubber, butyl, nitrile, as well as a few models of protective gloves.
The results demonstrated that the mechanisms for puncturing the elastomeric membrane with pointed blades involved a mixed rupture mode, that is, combining Mode I (through normal stress to the crack/fissure plane) and Mode III (through shear stress parallel to the crack/fissure plane and the front of the crack/fissure. These mechanisms and the respective contributions of these rupture modes are different from those involved in puncturing by medical needles or by standardized probes rounded at the tip. The study also demonstrated the major contribution of friction between the blade and the material during the rupture process. The friction energy for the materials tested is two times higher than that required for the rupture. Consequently, the resistance of materials to puncturing by a pointed blade is greatly affected by the friction between the gloves employed and the mechanical stressor. This friction depends in particular on the working environment, whose operations may require, for example, the use of various lubricants.
The effects of the blade geometry, the material’s characteristics and the experiment conditions on resistance to puncture by a pointed blade were studied. Complete penetration force decreases as the angle of approach between the blade edge and the sample increases, as the blade is lubricated or as the material is extended. The complete penetration force, strongly dependent on the geometry of the blade and the thickness of the sample, does not represent an intrinsic parameter of the performance of the material at the puncture/cut.
A characterization method was therefore developed to allow an objective and quantitative assessment of the material's resistance to combined puncturing and cutting. It consisted in assessing the rupture and friction energies per unit area of the fissure created from a puncture test using a pointed blade. The results revealed that the rupture energy per unit area is independent of the geometries of the blade and the sample, thus representing an intrinsic property of the material and an objective parameter of the resistance to puncturing/cutting by pointed blades. The friction energy per unit area is also independent of the geometries of the blade and the sample, but varies with the surrounding environment. It plays an important role in material protection performance and can be considered a semi-intrinsic property that represents the conditions serving the puncture/cut. When the friction is high, it helps increase the resistance of the blade penetration into the material. That said, if there is a lubricant present in the environment, which helps to reduce the friction, then the use of high performance materials -- such as those with higher rupture energy per unit area (intrinsic parameter) -- should be considered to ensure a high level of protection.
This new approach to characterization was also tested on several types of protective gloves of different compositions and thicknesses. A simplified method, one that is faster and more feasible, is therefore being proposed for the characterization of protective gloves.
ISBN
97828963186120
Mots-clés
Gant de protection, Protective glove, Résistance à la perforation, Penetration resistance, Essai à la perforation, Perforation testing, Détermination expérimentale, Experimental determination, Modèle mathématique, Mathematical model, Québec
Numéro de projet IRSST
0099-3770
Numéro de publication IRSST
R-903
Citation recommandée
Triki, E., Nguyen-Tri, P., Azaiez, M., Vu-Khanh, T. et Gauvin, C. (2016). Résistance des matériaux de protection aux agresseurs mécaniques multiples : coupure et perforation simultanées (Rapport n° R-903). IRSST.